CN108020649A - 一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法 - Google Patents

一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,包括以下步骤:第一步,泉水位对降水雨量站点的敏感性判别,第二步,确定主径流带深度及其分布,第三步,通过温度与电导率示踪技术验证第二步中所确定的主径流带深度及其分布,第四步,计算不同径流补给源的强度。该方法基于区域水文地质条件这一本质的基础上,通过雨量站点与泉水位相关性、岩溶裂隙率、温度示踪、水化学混合比这四个要素精准识别野外大尺度岩溶大泉补给通道,为岩溶大泉水流量、水质的保护提供科学依据,为政府相关部门进行地下水资源管理提供决策支持。

Description

一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法
技术领域
本发明涉及水文地质学技术领域,具体地说是一种确定岩溶大泉补给通道及其强度的方法。
背景技术
随着全球气候环境的改变和人类活动的加剧,近年来岩溶分布区出现了诸如泉流量衰竭、泉水污染等众多环境水文地质问题,故岩溶水补给通道成为国内外岩溶学研究的难点问题。虽然前人尝试采用计算机数值模拟反演、优化算法识别、概率统计模型、室内实验等方法去研究岩溶水***的径流来源,但是由于科技发展水平的限制,现代科学技术条件下尚无精准查明岩溶泉域的地下补给径流通道的有效方法。
目前岩溶大泉补给通道及其强度的这些方法均停留在水文地质条件概化阶段,存在三大无法逾越的致命缺陷:一是概化的水文地质条件过于理想化,脱离自然实际条件,不能用于精准的指导工程实践问题;二是受时间尺度和空间尺度制约,尤其是室内实验法的尺度效应巨大,获取的水文地质参数往往存在几个数量级的误差;三是无法从水平方向和垂直方向上精准获取岩溶通道的三维空间分布。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,该方法基于区域水文地质条件这一本质的基础上,通过雨量站点与泉水位相关性、岩溶裂隙率、温度示踪、水化学混合比这四个要素精准识别野外大尺度岩溶大泉补给通道,为岩溶大泉水流量、水质的保护提供科学依据,为政府相关部门进行地下水资源管理提供决策支持。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,包括以下步骤,
第一步,泉水位对降水雨量站点的敏感性判别,
1.1确定研究区内各雨量站位置、所处地层岩性、及其与泉群的距离;
1.2设计水位响应于降雨的滞后时间分别为1d、2d、3d、4d、5d、6d;
1.3分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为1d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.4分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为2d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.5分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为3d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.6分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为4d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.7分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为5d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.8分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为6d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.9取各个雨量站的最大相关性系数作为相应雨量站的相关性系数,选择相关性系数R2﹥0.75的雨量站作为关系密切雨量站;
1.10采用泰森多边形法得到各个关系密切雨量站的控制区域,并以相关关系密切雨量站的控制区域作为最佳补源区;
第二步,确定主径流带深度及其分布,
2.1选择第一步确定的最佳补源区内的钻孔,并在该区域的钻孔内每隔5米统计岩心的孔隙裂隙发育情况,测量溶孔溶洞的直径以及裂隙的长度和宽度;
2.2根据步骤2.1的测量结果计算钻孔内不同深度的岩溶裂隙率,并以岩溶裂隙率大于5%为主要通道,其他为次要通道,确定主径流带深度及其分布;
第三步,通过温度与电导率示踪技术验证第二步中所确定的主径流带深度及其分布,
3.1选择含有主要通道的钻孔,并在该钻孔内按照1m间隔实时观测温度和电导率,并同步测定泉水的温度和电导率;
3.2分析3.1的观测结果,初步确定流速变化规律。
3.3根据3.1取得的钻孔不同深度的温度,通过VFLUX计算程序计算地下水流速,进一步确定流速变化规律。
3.4观察3.3中所得到的含有主要通道的钻孔的流速变化规律是否与第二步中所得到的岩溶裂隙发育规律相吻合,若不吻合则重新核对计算该不吻合钻孔的不同深度的岩溶裂隙率;
第四步,计算不同径流补给源的强度,
4.1根据地下水流场、含水层类型、补给方位和补给源类型将第一步中所确定最佳补源区划分为多个分区,并在每个分区内取水样A,取样点位于地下水补给径流区,测定水样A中的水化学参数,且所述最佳补源区的分区数量大于等于所述水化学参数的数量;
4.2取泉水水样1组,测定泉水水样中的水化学参数;
4.3根据公式Xi*Wi=Yi,采用机械混合方法,计算最佳补源区泉水补给来源的混合比,其中Xi为水化学参数,Wi为补给源对泉水的混合比,Yi为泉水对应的水化学参数;
4.4采用PHREEQC数值模拟反演,对步骤4.3得出的混合比进行合理性分析。
进一步地,步骤1.3-1.8的统计时间不少于三年。
进一步地,根据步骤1.3-1.8的结果绘制各个雨量站在次降雨尺度下不同滞后时间的相关系数曲线图。
进一步地,根据步骤2.2的计算结果绘制岩溶通道分布图。
进一步地,步骤3.1的观测时间不少于一年,观测频率为每周1次,每次观测时间不少于1min。
进一步地,根据步骤3.1的观测结果分别绘制水温随深度的变化曲线图以及电导率随深度的变化曲线图。
进一步地,第四步中的水化学参数包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3 -、SO4 2-、Cl-、可溶性SiO2、电导率和溶解性总固体。
本发明的有益效果是:
1、综合考虑了雨量站所在区域地层岩性及其降雨量与泉水位的关系、岩溶发育程度、岩溶裂隙率、泉水位、地下水水化学组分、泉水水化学组分、地下水水温变差等因子,指标因素全面,具有科学性、***性。
2、以雨量站点控制的区域为水平方向的平面研究区区域,垂直方向上以钻孔内不同深度的岩溶裂隙率、不同深度水温、不同深度的水质指标来约束,消除了室内实验的尺度效应,实现了岩溶大泉补给径流通道空间展布的精准定位,具有较强的实用性。
3、以降水量、水位、水温、裂隙率和测试的离子组分的实际观测数据为依据,不需要对地质条件进行人为的概化,不存在计算误差,具有较高的精度可靠性。
4、方法简单、原理科学,无需投入较大其他成本,数据容易获取,计算结果便于解释、且不存在多解,具有较高技术经济性。
5、本实施可以在不投入高额工程勘探经费的情况下,精准探明岩溶大泉补给径流通道的空间展布位置,找出不同方向与不同深度的泉水补给来源,进而可以给出适宜回灌补源的地段,故可以提出针对性的保护措施,防治泉水污染,该方法能够为岩溶大泉水流量、水质的保护提供科学依据。
附图说明
图1为确定岩溶大泉补给通道及强度的方法流程图;
图2为兴隆雨量站滞后时间为1天的相关性直线;
图3为各个雨量站在次降雨尺度下不同滞后时间的相关系数曲线图;
图4为根据地形修订的泰森多边形雨量站控制区分布图;
图5为济南泉域岩溶裂隙发育深度分布图;
图6为不同深度电导率变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下以济南泉水为例,对本发明技术方案做进一步的详细说明。
一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,包括以下步骤:
第一步,泉水位对降水雨量站点的敏感性判别
1.1确定研究区内各雨量站位置、所处地层岩性、及其与泉群的距离。
1.2设计水位响应于降雨的滞后时间分别为1d、2d、3d、4d、5d、6d(其中d为day的缩写,代表天)。
1.3分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为1d时(即次降水之后1d),降水量与泉水位变幅之间的相关性系数,且统计时间不少于三年。
以兴隆雨量站为例,首先统计2009年到2011年每次兴隆雨量站次降雨的降雨量,以及每次次降雨结束1d之后泉水位变幅。然后以次降雨的降水量为横坐标,以泉水位变幅为纵坐标,根据兴隆雨量站每次次降水的降水量和相应的泉水位变幅绘制离散点群,并根据离散点群绘制相关性直线得出相关性方程,如图2所示,并最终得出兴隆雨量站滞后时间为1天的相关性系数R2
1.4分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为2d时(即次降水之后1d),降水量与泉水位变幅之间的相关性系数,且统计时间不少于三年。
1.5分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为3d时(即次降水之后1d),降水量与泉水位变幅之间的相关性系数,且统计时间不少于三年。
1.6分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为4d时(即次降水之后1d),降水量与泉水位变幅之间的相关性系数,且统计时间不少于三年。
1.7分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为5d时(即次降水之后1d),降水量与泉水位变幅之间的相关性系数,且统计时间不少于三年。
1.8分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为6d时(即次降水之后1d),降水量与泉水位变幅之间的相关性系数,且统计时间不少于三年。
根据步骤1.3-1.8的结果绘制如图3所示的各个雨量站在次降雨尺度下不同滞后时间的相关系数曲线图。
1.9根据绘制的各个雨量站在次降雨尺度下不同滞后时间的相关系数曲线图,取各个雨量站的最大相关性系数作为相应雨量站的相关性系数,选择相关性系数R2﹥0.75的雨量站作为关系密切雨量站。
1.10采用泰森多边形法得到各个关系密切雨量站的控制区域,如图4所示,并以相关关系密切雨量站的控制区域作为最佳补源区。即从水平方向上获取岩溶补给通道的分布。
第二步,确定主径流带深度及其分布
2.1选择第一步确定的最佳补源区内的钻孔,并在该区域的钻孔内每隔5米统计岩心的孔隙裂隙发育情况,测量溶孔溶洞的直径以及裂隙的长度和宽度。
在这里所述的钻孔为该区域原有的钻孔,例如机井等。作为一种具体实施方式,本实施例中济南在第一步所确定的最佳补源区内共有213个钻孔
2.2根据步骤2.1的测量结果计算213个钻孔内不同深度的岩溶裂隙率,并以岩溶裂隙率大于5%为主要通道,其他为次要通道,绘制岩溶通道分布图。
结果表明,济南泉水有不同深度岩溶径流通道,按照埋藏深度可以划分为<40m、40-105m、105-150m、150-210m、210-250m。如图5所示,位于40m以浅的主要径流通道主要分布在四大泉群***区附近;40-105m埋深范围内岩溶发育中等;105-150m埋深范围内最为广泛,发育地层以奥陶系三山子组及马家沟组北庵庄段为主;210-250m埋深范围内岩溶发育分布面积较小。
第三步,通过温度与电导率示踪技术验证第二步中所确定的主径流带深度及其分布。
在这里设置第三步这一验证步骤的主要原因时,在第二步的实际操作中,最深的钻孔深达300m,按照每隔5m对岩心进行统计,而实际上岩心的采取率往往不是100%,在孔隙裂隙发育段采取率往往只有70%,故在实际的测量过程中,岩心与其对应的深度有可能会存在错误,并最终影响第二步的最终结果。为此在第三步中通过温度与电导率示踪技术验证第二步中所确定的主径流带深度及其分布。
3.1选择含有主要通道的钻孔,并在该钻孔内按照1m间隔实时观测温度和电导率,并同步测定泉水的温度和电导率,观测时间不少于一年,观测频率为每周1次,每次观测时间不少于1min。
3.2根据3.1的观测结果,分别绘制水温随深度的变化曲线图以及电导率随深度的变化曲线图,初步确定流速变化规律。
对于同一深度来说,如果存在主径流通道,流速越大则在降水补给之后该深度的电导率(或温度)变化幅度则越大,反映到电导率(或温度)随深度的变化曲线图则为:同一深度的电导率(或温度)变化幅度越大则说明该深度的流速越快。
3.3根据3.1取得的钻孔不同深度的温度,通过VFLUX计算程序计算地下水流速,进一步确定流速变化规律。
以兴隆204米深度观测孔为例,绘制不同深度电导率变化曲线如图6所示,利用VFLUX计算程序计算该孔内不同深度的流速。由于该观测孔内的测量点众多,无法一一列出,在此列出10m、15m、20m、25m、30m、35m处的地下水流速如表1所示。
表1VFLUX计算下不同深度流速统计表
深度/m Hatch相位法(m/s)
12.5 7.87×10-4~1.06×10-3
15 7.19×10-4~9.53×10-4
17.5 6.62×10-4~9.17×10-4
20 6.29×10-4~8.87×10-4
22.5 5.99×10-4~8.68×10-4
25 6.64×10-4~8.03×10-4
27.5 6.35×10-4~8.6×10-4
30 6.95×10-4~8.95×10-4
32.5 7.67×10-4~9.49×10-4
对图6和表1进行分析可知,图5中6-35m段的变化规律与表1相同。
3.4观察3.3中所得到的含有主要通道的钻孔的流速变化规律是否与第二步中所得到的岩溶裂隙发育规律相吻合。若不吻合则重新核对计算该不吻合钻孔的不同深度的岩溶裂隙率。
由于流速会随着岩溶裂隙率的增大而增大,因此观察流速变化规律岩溶裂隙发育规律相吻合,即可对第二步的正确性进行验证。
第四步,计算不同径流补给源的强度
4.1根据地下水流场、含水层类型、补给方位和补给源类型将第一步中所确定最佳补源区划分为10个分区,并在每个分区内取水样A,取样点位于地下水补给径流区,测定水样A中的水化学参数,包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3 -、SO4 2-、Cl-、可溶性SiO2、电导率和溶解性总固体。
4.2取泉水水样1组,测定泉水水样中的水化学参数,包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3 -、SO4 2-、Cl-、可溶性SiO2、电导率和溶解性总固体。
4.3根据公式Xi*Wi=Yi,采用机械混合方法,计算最佳补源区泉水补给来源的混合比,其中Xi为水化学参数,Wi为补给源对泉水的混合比,Yi为泉水对应的水化学参数。
4.4采用PHREEQC数值模拟反演,对步骤4.3得出的混合比进行合理性分析。
作为一种具体实施方式,本实施例中以泉水水化学组分含量作为计算目标值,将泉水补给来源按地下水流场、含水层类型、补给源方位、补给源类型进行分类,将水化学测试数据分为11个分区。设1~11分区为趵突泉的补给水源,参与计算的指标有Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3 -、SO4 2-、Cl-、可溶性SiO2、电导率和溶解性总固体10项,列成矩阵X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10]T,11个补给源对泉水的贡献比设为w=[w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w8,w9,w10,w11]T,以趵突泉为例Y=[Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8,Y9,Y10]T,忽略其他补给水源,∑Wi≤1,那么,X×W=Y。
经过试算及检验得到趵突泉的补给混合比例。趵突泉补给水源的混合比分别为张夏组含水层占25.0%、寒武纪凤山组~奥陶纪含水层补给占40.0%、历阳湖回灌水占10.0%、兴济河回灌水占6.0%、玉符河回灌水占8.0%、市区回灌水占8%。
合理性分析:采用水文地球化学模拟方法验证泉水混合比计算结果的可靠性。Ca2+是济南岩溶水中的主要阳离子,PREEQC模拟岩溶水中方解石均为饱和,因此以Ca2+作为方程组配平的依据,计算得出趵突泉化学指标值与实测值进行对比,以相对误差绝对值小于10%为允许误差,相对误差绝对值大于10%为计算异常(正值为正异常,负值为负异常)。趵突泉水质正异常的化学指标有SO4 2-,负异常的化学指标有Na+。SO4 2-离子的正异常说明泉水受到轻微污染,污染源自于泉口上游污水管网,但SO4 2-含量较低,远没有改变泉水的水质类型,虽然Na+负异常但是岩溶水中Na+含量极低,对泉水水质近乎无影响,因此所得到的混合比W是合理的。

Claims (7)

1.一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:包括以下步骤,
第一步,泉水位对降水雨量站点的敏感性判别,
1.1确定研究区内各雨量站位置、所处地层岩性、及其与泉群的距离;
1.2设计水位响应于降雨的滞后时间分别为1d、2d、3d、4d、5d、6d;
1.3分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为1d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.4分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为2d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.5分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为3d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.6分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为4d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.7分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为5d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.8分别统计各个雨量站在次降水尺度下滞后时间为6d时,降水量与泉水位变幅之间的相关性系数;
1.9取各个雨量站的最大相关性系数作为相应雨量站的相关性系数,选择相关性系数R2﹥0.75的雨量站作为关系密切雨量站;
1.10采用泰森多边形法得到各个关系密切雨量站的控制区域,并以相关关系密切雨量站的控制区域作为最佳补源区;
第二步,确定主径流带深度及其分布,
2.1选择第一步确定的最佳补源区内的钻孔,并在该区域的钻孔内每隔5米统计岩心的孔隙裂隙发育情况,测量溶孔溶洞的直径以及裂隙的长度和宽度;
2.2根据步骤2.1的测量结果计算钻孔内不同深度的岩溶裂隙率,并以岩溶裂隙率大于5%为主要通道,其他为次要通道,确定主径流带深度及其分布;
第三步,通过温度与电导率示踪技术验证第二步中所确定的主径流带深度及其分布,
3.1选择含有主要通道的钻孔,并在该钻孔内按照1m间隔实时观测温度和电导率,并同步测定泉水的温度和电导率;
3.2分析3.1的观测结果,初步确定流速变化规律。
3.3根据3.1取得的钻孔不同深度的温度,通过VFLUX计算程序计算地下水流速,进一步确定流速变化规律。
3.4观察3.3中所得到的含有主要通道的钻孔的流速变化规律是否与第二步中所得到的岩溶裂隙发育规律相吻合,若不吻合则重新核对计算该不吻合钻孔的不同深度的岩溶裂隙率;
第四步,计算不同径流补给源的强度,
4.1根据地下水流场、含水层类型、补给方位和补给源类型将第一步中所确定最佳补源区划分为多个分区,并在每个分区内取水样A,取样点位于地下水补给径流区,测定水样A中的水化学参数,且所述最佳补源区的分区数量大于等于所述水化学参数的数量;
4.2取泉水水样1组,测定泉水水样中的水化学参数;
4.3根据公式Xi*Wi=Yi,采用机械混合方法,计算最佳补源区泉水补给来源的混合比,其中Xi为水化学参数,Wi为补给源对泉水的混合比,Yi为泉水对应的水化学参数;
4.4采用PHREEQC数值模拟反演,对步骤4.3得出的混合比进行合理性分析。
2.根据权利要求1所述的一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:步骤1.3-1.8的统计时间不少于三年。
3.根据权利要求1所述的一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:根据步骤1.3-1.8的结果绘制各个雨量站在次降雨尺度下不同滞后时间的相关系数曲线图。
4.根据权利要求1所述的一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:根据步骤2.2的计算结果绘制岩溶通道分布图。
5.根据权利要求1所述的一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:步骤3.1的观测时间不少于一年,观测频率为每周1次,每次观测时间不少于1min。
6.根据权利要求1所述的一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:根据步骤3.1的观测结果分别绘制水温随深度的变化曲线图以及电导率随深度的变化曲线图。
7.根据权利要求1所述的一种确定岩溶大泉补给通道及强度的方法,其特征在于:第四步中的水化学参数包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3 -、SO4 2-、Cl-、可溶性SiO2、电导率和溶解性总固体。
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